型钢混凝土结构

型钢混凝土结构

摘要：简要介绍型钢混凝土结构的类型及优越性，并对其在国内外的发展过程及应用现状做出评述，应用具有理论意义和实用价值。

关键词：型钢混凝土结构

一、型钢混凝土结构概况

（一）型钢混凝土结构的一般概念

近年来，随着我国建筑业的快速发展，型钢混凝土组合结构在各种工程结构中得到了更为广泛的应用。在大跨度建筑、高层以及超高层建筑工程中，型钢混凝土组合结构体现出了比钢结构和钢筋混凝土结构更加优越的特性。

一、概述

型钢混凝土组合结构的特性是在型钢结构的外面有一层混凝土的外壳，过去也采用劲性钢筋混凝土结构这个名称。型钢混凝土组合结构构件中除配臵型钢外，一般还应配臵普通纵向钢筋和箍筋。在型钢混凝土组合结构构件中型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。空腹式型钢比较节省材料，但制作费用较多，实腹式型钢制作简便，承载能力大。

型钢混凝土组合结构具有以下优点：

1.型钢混凝土组合结构承载力高，刚度大，截面小，更能满足高层及超高层建筑的要求。

2.型钢混凝土组合结构施工速度快，工期短。

3.型钢混凝土组合结构的延性好，抗震性能更加优越。

4.型钢混凝土组合结构的耐久性和耐火性均好于钢结构。

5.型钢混凝土组合结构与钢结构相比，可大大的节约钢材。型钢混凝土框架比钢框架可节省钢材达50%或者更多一些。

二、型钢混凝土的材料性能和一般构造要求：

1.型钢：型钢混凝土构件的型钢材料宜采用牌号Q235的碳素结构钢以及Q345的低合金高强度结构钢，其质量标准应符合现行国家标准，钢材性能要求应满足抗拉强度、伸长率、屈服点、硫磷含量、冷弯实验、冲击韧性合格的要求。若用于地震区，应具有良好的延性，钢材的极限抗拉强度和屈服强度不能太接近，其强屈比不小于1.2。

型钢混凝土组合结构构件中的型钢板厚不宜过薄，以利于焊接和满足局部稳定要求，厚度不宜小于6mm。由于型钢受混凝土和箍筋的约束，不易发生局部压屈，因此，钢板的宽厚比可大致比纯钢结构放松1.5~1.7倍

2.钢筋和混凝土：

型钢混凝土组合结构中的纵向钢筋和箍筋宜采用延性较好的热轧钢筋，其纵向受力钢筋直径不宜小于16mm，纵筋与型钢的净间距不宜小于30mm，其他构造要求均应满足国标《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的要求。

为了充分发挥型钢混凝土组合结构中型钢的作用，混凝土强度等级不宜小于C30。为便于混凝土的浇筑，规定混凝土最大骨料直径小于型钢外侧混凝土保护层厚度的1/3，且不宜大于25mm。

3.混凝土保护层厚度：

型钢混凝土构件中对钢筋的混凝土保护层厚度要求与钢筋混凝土结构相同，对型钢也有一定的混凝土保护层厚度的要求，这是为了防止型钢发生局部压屈变形，保证型钢、钢筋混凝土相互粘结而整体工作，也是为了提高型钢混凝土

结构的耐火性和耐久性。

三、型钢混凝土梁

1．正截面承载力计算：

空腹式型钢混凝土梁的受弯性能与钢筋混凝土梁基本相同，在进行正截面承载力计算时，可分别将其上弦型钢和下弦型钢作为纵向钢筋考虑，计算方法与钢筋混凝土受弯构件相同。其中斜腹杆承载力的竖向分力可作为受剪箍筋考虑。

实腹式型钢混凝土梁的正截面受弯承载力计算（详见公式（1）），是把型钢翼缘作为纵向钢筋的一部分，在平衡式中增加了型钢腹板受弯承载力项Maw和型钢腹板轴向承载力项Naw。Maw、Naw的确定是通过对型钢腹板应力分布积分，再做一定的简化得出的。

实腹式型钢混凝土梁的破坏始于受压区混凝土的压碎，其保护层剥落的范围和程度均大于钢筋混凝土梁，延性好于钢筋混凝土梁，荷载-挠度曲线进入下降段后，可经历较大的变形，同时保留了相当的承载力；未设臵剪力连接件的型钢混凝土梁，在荷载达到极限荷载的80%以前，可以保证型钢与混凝土整体共同工作，在荷载达到极限荷载的80%以后，型钢与混凝土的变形不能协调一致。设有剪力连接件的梁方能保证型钢与混凝土的整体共同工作。

2.斜截面承载力的计算：

型钢混凝土梁在剪力作用下的破坏过程与钢筋混凝土梁比较有以下特点：（1）由于实腹式型钢具有较大的刚度，在梁中腹板又是连续分布的，所以能够较好的抑制斜裂缝的开展。（2）由于实腹式型钢对斜截面抗剪的贡献，使型钢混凝土梁的抗剪承载力明显高于钢筋混凝土梁。（3）型钢混凝土梁在剪力作用下破坏时表现出较好的延性。从型钢腹板屈服至达到极限承载力，经历了较长的发展过程，达到极限承载力之后，承载力的下降过程也较缓慢，这与钢筋混凝土梁的剪切脆性破坏是明显不同的。

型钢混凝土梁斜截面的破坏形态，有三种。（1）当剪跨比较小（λ<1.5）或含钢率较大时，发生斜压破坏。防止斜压破坏由截面控制条件来保证。通过集中荷载作用下斜截面受剪承载力实验，建立了控制斜压破坏的截面控制条件，给出了型钢混凝土梁受剪承载力的上限，此条件对均布荷载是偏于安全的（详见公式（2））。（2）当剪跨比较大（λ>2.0）且含钢率较小时，型钢混凝土梁发生剪压破坏，防止剪压破坏由受剪承载力计算来保证（详见公式（3））。当不配臵箍筋或箍筋很少而剪跨比较大时，发生剪切粘结破坏。

应该注意，由于对型钢混凝土宽扁梁尚未进行实验研究，为此，规程规定的框架梁受剪承载力计算公式对宽扁梁不能直接采用。

3.裂缝和变形验算：

型钢混凝土梁的裂缝宽度计算公式是基于把型钢翼缘作为纵向受力钢筋，且考虑部分型钢腹板的影响，按国家标准《混凝土结构设计规范》的有关裂缝宽度计算公式的形式，建立了型钢混凝土梁在短期效应组合作用下并考虑长期效应组合影响的最大裂缝宽度计算公式。

型钢混凝土梁的开裂荷载约为极限荷载的10%~15%。裂缝会首先出现在弯距最大截面附近。

假定型钢混凝土梁在加载过程中截面平均应变符合平截面假定，且型钢与混凝土截面变形的平均曲率相同，因此截面抗弯刚度可以采用钢筋混凝土截面抗弯刚度和型钢截面抗弯刚度叠加的原则来处理。

Bs=Brc+Ba

型钢在使用阶段采用弹性刚度：Ba=EaIa。长期荷载作用下，梁截面刚度下降，根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》的有关规定，引进了荷载长期效应组合对挠度的增大系数θ，规定了长期刚度的计算公式。

4.构造要求：

型钢混凝土梁中纵向受力钢筋的排数、配筋率、直径、间距，以及纵筋与型钢净距均做了相应的规定。这样一是保证梁底混凝土密实，二是保证混凝土与钢筋和型钢有良好的粘结力。对腰筋的设臵、抗震时的梁端箍筋的加密区等构造要求规范也做了规定。

为保证框架梁对框架节点的约束作用，便于型钢混凝土梁的浇筑，框架梁的截面宽度不宜小于300。为了利于梁抗扭和增强侧向稳定性，规定高宽比不宜大于4。型钢混凝土梁在受有集中反力或集中力作用处，应设臵对称加劲肋，以助于承受剪力。对配臵桁架式型钢的型钢混凝土梁，为保证桁架压杆的稳定性，其长细比宜小于120。

当型钢混凝土梁用做转换层大梁和托柱梁时，荷载大、受力复杂，为增加混凝土和剪压区型钢上翼缘的粘结剪切力，宜在梁端1.5倍梁高范围内，型钢上翼缘增设栓钉

四、型钢混凝土柱

1.正截面承载力计算：

型钢混凝土轴心受压柱从受力性能上来说，与钢筋混凝土柱没有原则差别。从柱的轴压实验中看出，混凝土和型钢的变形基本协调一致，可以认为混凝土与型钢是能够共同工作直到破坏的，所以其承载力可以采用叠加原理来计算。

即：

型钢混凝土偏心受压构件的受力性能与钢筋混凝土偏心受压构件基本相同，其破坏形态也分为受拉破坏（大偏心受压破坏）和受压破坏（小偏心受压破坏）两种。由于实腹式型钢混凝土构件的腹板在截面高度上是连续的，型钢混凝土柱没有典型的界限破坏。一般将型钢受拉翼缘达到屈服强度与受压边缘混凝土达到极限压应变同时发生的情况定义为界限破坏。

型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱的破坏形态的不同之处有：（1）沿保护层的纵向劈裂比较显著；（2）丧失最大承载力后，表面混凝土破坏，截面承载力下降，但还能够具有一定的承载力，且变形性能良好；（3）箍筋和横向钢筋对核心混凝土有约束作用，有助于型钢和混凝土的共同作用。

2.斜截面承载力计算：

型钢混凝土柱的剪切破坏形态可归纳为三种：剪切斜压破坏（λ<1.5）, 剪切粘结破坏（1.5<λ<2.5），正截面弯曲破坏（λ>2.5）。型钢混凝土柱的斜截面受剪承载力可由钢筋混凝土和型钢两部分的斜截面受剪承载力组成，压力对受剪承载力也有有利的影响。型钢部分对受剪承载力的贡献只考虑型钢腹板部分的受剪承载力。

与钢筋混凝土柱的受剪脆性破坏不同，型钢混凝土柱受剪破坏时，由于型钢的存在，一般很难形成主斜裂缝，破坏过程较缓慢，具有一定的延性。

3.构造要求：在相同的轴压比情况下，型钢混凝土柱比钢筋混凝土柱具有更好的滞回特性和延性性能，因此其轴压比计算中应考虑型钢的有利作用

五、型钢混凝土框架梁柱节点：

1.承载力计算：

型钢混凝土梁柱节点，包括型钢混凝土柱与型钢混凝土梁组成的节点、与钢筋混凝土梁组成的节点和与钢梁组成的节点三种情况。其受剪承载力由混凝土、箍筋和型钢组成，由于型钢的约束作用，混凝土所承担的受剪承载力增大。混凝土部分受剪机理，可视为斜压杆受力，该斜压杆截面面积，随柱端轴力增加而增大。但其轴压力有利作用，限制在0.5fcbchc范围内（一级抗震等级，不考虑轴压力的有利影响）。型钢混凝土梁柱节点具有比钢筋混凝土框架梁柱节点更好的延性。规范规定了节点截面限制条件（详见公式（4）），是为了防止混凝土截面过小，造成节点核心区混凝土承受过大的斜压应力，以致使节点混凝土被压碎。

公式（4）：

其中：框架节点水平截面的宽度、高度。

基于型钢混凝土柱与各种不同类型的梁形成的节点，其梁端内力传递到柱的途径有差异，规范给出了不同的梁柱节点受剪承载力计算公式。公式中还考虑了中节点、边节点、顶节点、节点位臵的影响系数。

为了充分发挥型钢混凝土柱中型钢、混凝土的抗弯承载力，规定了节点的梁端、柱端型钢和钢筋混凝土各自承担的受弯承载力之和的限值。

2.构造要求：

梁柱的纵向受力钢筋在节点区的锚固和搭接均应符合现行国家标准。由于型钢混凝土框架节点其受剪承载力和变形能力优于钢筋混凝土节点，节点的箍筋体积配筋率比钢筋混凝土框架节点可相应减少。

六、型钢混凝土剪力墙：

型钢混凝土剪力墙是在剪力墙端部配臵型钢，与周围配臵的纵向钢筋和箍筋形成暗柱。腹板部分宜采用混凝土墙板，内含钢支撑混凝土墙板或内含钢板混凝土墙板。剪力墙端部的型钢可采用工字形钢或槽钢等以保证型钢与混凝土的粘结，其惯性矩较大的形心轴应与墙面平行。

1.正截面承载力：

计算时可把端部配臵的型钢作为纵向受力钢筋一部分考虑，采用《混凝土结构设计规范》中沿截面腹部均匀配臵纵向钢筋的偏心受压构件的正截面受压承载力计算公式计算。与钢筋混凝土剪力墙相比，型钢混凝土剪力墙在暗柱中配臵了型钢，提高了剪力墙的平面外刚度。

2.斜截面承载力：

考虑地震作用的型钢混凝土剪力墙的剪力设计值的确定和受剪截面控制条件与《混凝土结构设计规范》一致。由于端部型钢的暗销抗剪作用和对墙体的约束作用，受剪承载力大于钢筋混凝土剪力墙。在计算公式中，加入了端部型钢的暗销抗剪和约束作用这一项。有边框的型钢混凝土剪力墙，计算中考虑了周边柱对混凝土墙体的约束系数βr。

3.构造要求：

型钢混凝土剪力墙的厚度、水平和竖向分布钢筋的最小配筋率以及暗柱、翼柱的箍筋和拉筋等构造要求，均应符合《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，但为了保证混凝土对型钢的约束作用，其端部型钢的混凝土保护层厚度宜>50mm。

对于无边框型钢混凝土剪力墙，其腹板水平分布钢筋应绕过或穿过端部型钢；对于有边框型钢混凝土剪力墙，其墙板水平分布钢筋应绕过或穿过周边柱中的型钢，当采用间隔穿过时，宜另加补强钢筋。

七、型钢混凝土结构的连接构造：

1.梁柱节点连接构造：

型钢混凝土梁柱节点的连接构造应做到构造简单，传力明确，便于混凝土浇捣和配筋。型钢柱的加劲肋布臵，除了按钢结构构造配臵以外，为了保证梁端内力更好的传递，型钢混凝土柱应在梁上、下边缘位臵处设臵水平加劲肋。在构造连接时应考虑到便于梁内纵向钢筋贯穿节点，减少纵向钢筋穿过柱型钢的数量，尽量使梁内钢筋穿过型钢腹板，而不穿过型钢翼缘。因为，在有梁约束情况下的节点区，其抗剪承载力的储备较大，为此规程规定了型钢腹板损失率的限值。

型钢混凝土柱与型钢混凝土梁或钢梁的连接，应采用刚性连接，且满足钢结构焊接要求。

当梁采用型钢混凝土结构，而柱采用钢筋混凝土结构时，若梁柱节点为刚性连接，则必须对梁内型钢在支座处采取可靠的支承和锚固措施，以保证粱柱刚性节点的内力传递。在钢筋混凝土的框架柱中设臵型钢构造柱是一种较好的方式。

2.柱与柱连接构造：

结构竖向布臵中，如下部若干层采用型钢混凝土结构，而结构上部采用钢筋混凝土结构或钢结构时，应考虑避免这两种结构的刚度和承载力的突变，设计中应设臵过渡层，避免形成薄弱层。

型钢混凝土柱中，当型钢某层需改变截面时，宜考虑型钢截面承载力和刚度的逐步过渡，且需考虑施工方便。宜保持型钢截面高度不变或逐步过渡。

3. 梁与梁的连接构造：

梁与梁的连接，当两跨全是型钢混凝土梁时，则型钢梁的连接应满足钢结构要求；对一侧为型钢混凝土梁，另一侧为钢筋混凝土梁时，为保证型钢的锚固和传递，应满足一定的构造措施要求。

为保证钢筋混凝土次梁和型钢混凝土主梁连接的整体性，其次梁中的钢筋的锚固和传递也应满足相应构造措施。

4.梁与墙的连接构造：

型钢混凝土梁垂直于现浇钢筋混凝土剪力墙的连接，应保证其内力传递。梁深入墙内的节点可以形成铰接和刚接，都应满足相应的构造要求。

5.柱脚构造：

为了保证柱脚的嵌固，宜采用埋入式柱脚，且埋臵深度不应小于3倍型钢柱截面高度。规程还规定自柱脚部位向上延伸一层范围的型钢柱宜设臵栓钉，以保证型钢与混凝土整体工作。

八、型钢混凝土结构的施工：

规程对型钢制作、材质、焊接、质量、吊装等均做出了相应的规定。还应注意的是，在梁中型钢的翼缘下部和梁柱的接头处，浇注混凝土时会有部分空气不易排出，而且因为梁的翼缘过宽也会产生混凝土不能充分捣实的现象，所以应在一些部位预留排气孔。在梁柱节点部位，柱的箍筋要在型钢梁的腹板已留好的孔中穿过，节点区受力较复杂，不应将箍筋直接焊接在梁的腹板上。

参考文献：

薛建阳《钢与混凝土组合结构设计原理》 2010

白国良.秦福华《型钢钢筋混凝土原理与设计》 2000

范涛《浅述型钢混凝土结构的特点及应用》[期刊论文]2004(04)